JP2017080819A

JP2017080819A - ロボットハンド

Info

Publication number: JP2017080819A
Application number: JP2015208168A
Authority: JP
Inventors: 国大岩本; Kunihiro Iwamoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2017-05-18

Abstract

【課題】把持爪の把持力低下を抑制する。【解決手段】モータ１１と、モータ１１に対して、プーリ３２、ベルト３３を介して動的に接続されたセルフロック性ギア１２と、セルフロック性ギア１２の動作により開閉可能な一対の把持爪２ａ，２ｂと、モータ１１の出力を制御する制御部１５と、を備え、制御部１５は、モータ１１に最大トルクを出力させた後に停止させる際に、ベルト３３の張力が開放される力が、プーリ３２から把持爪２ａ，２ｂまでの間に設けられた前記セルフロック性ギア１２を含むギアトレインの静止摩擦力以下となる状態を維持しながら、モータ１１の出力を徐々に低下させる。【選択図】図１

Description

本発明は、セルフロック性を有するギアを用いたロボットハンドに関する。

従来、このような分野の技術として、特開２０００−２８８９７１号公報がある。この公報に記載されたロボットハンドでは、セルフロック性ギアであるウォームギアの両側にウォームホイールを配置し、さらにその外側に把持爪が配置されている。

このロボットハンドは、モータに接続されたウォームギアが回転動作することにより、ウォームギアの両側に設けられたウォームホイールが互いに逆回転を行う。これにより、ウォームホイールと連動して把持爪が動作し、把持爪の開閉が行われる。

特開２０００−２８８９７１号公報

ロボットハンドをロボットに搭載する際には、ロボットハンドの幅方向の大きさと、高さ方向の大きさを等しくすることが好ましい。したがって、モータとセルフロック性ギアを高さ方向に並べることになるため、モータとセルフロック性ギアとの間にベルトを介する構造となる。しかしながら、図６に示すように、把持爪により把持対象物を把持させた後に、モータの出力をパルス状に停止させると、ベルトにかかっていた張力が開放されることにより、プーリと、セルフロック性ギアの入力側に逆回転の力がかかる。そのため、図７に示すように、最大出力で把持させた状態に比べて、把持力の低下が発生する場合がある。
本発明は、把持対象物を把持した後にモータを停止させる際に、把持爪の把持力低下を抑制するロボットハンドを提供するものである。

本発明にかかるロボットハンドは、モータと、前記モータに対して、プーリ、ベルトを介して動的に接続されたセルフロック性ギアと、前記セルフロック性ギアの動作により開閉可能な一対の把持爪と、前記モータの出力を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記モータに最大トルクを出力させた後に停止させる際に、前記ベルトの張力が開放される力が、前記プーリから把持爪までの間に設けられた前記セルフロック性ギアを含むギアトレインの静止摩擦力以下となる状態を維持しながら、前記モータの出力を徐々に低下させる。
これにより、モータの停止時にセルフロック性ギアが逆回転することを抑制できる。

これにより、把持爪の把持力低下を抑制することができる。

ロボットハンドの概形を示す図である。ロボットハンドの分解図である。ロボットハンドの動作制御のフローを示す図である。モータの出力の時間変化を示す図である。把持爪に発生する把持力の時間変化を示す図である。関連するロボットハンドのモータの出力の時間変化を示す図である。関連するロボットハンドの把持爪に発生するは磁力の時間変化を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１に示すように、ロボットハンド１は、一対の把持爪２ａ，２ｂと、把持爪２ａ，２ｂを動作させるための動作部３と、を備える。

一対の把持爪２ａ，２ｂは、間にワークを挟むことで把持を行う。また、一対の把持爪２ａ，２ｂは、離間する方向に動作することで、ワークの開放を行う。

図２に示すように、動作部３は、モータ１１と、モータ１１の動力により動作するピニオンギア１２と、ピニオンギア１２と連結され、把持爪２ａ，２ｂを動作させる複数の平歯ギア１３と、平歯ギア１３の出力を測定するポテンショメータ１４と、モータ１１の動作を制御する制御部１５と、ピニオンギア１２や平歯ギア１３を収容している下板１６ａ、中板１６ｂ、上板１６ｃを有するケース１６と、を備える。以下では、モータ１１が配置された方向を上方として説明する。また、一対の把持爪２ａ，２ｂ（図１参照）が左右方向に設けられているものとして説明する。

モータ１１は、本体部３１に連結する回転シャフト（図示せず）と、回転シャフトの先に配置されベルト３３が掛けられたプーリ３２を備える。モータ１１の本体部３１は、上板１６ｃの上方に配置されている。モータ１１は、制御部１５の制御に基づいて動作を行う。例えばモータ１１は、制御部１５によるポテンショメータ１４の出力に基づくフィードバック制御によって、定格のトルクを出力させる。また、モータ１１は、制御部１５の制御により、回転シャフトを逆方向に回転させることができる。また、モータ１１は、定格より大きい出力を行うことで、把持爪２ａ，２ｂにワークを強く把持させる。

ピニオンギア１２は、ピニオン４１と、ピニオン４１とかみ合うリング状のギア４２と、を備える。ピニオンギア１２は、下板１６ａの上面に載置されている。例えばピニオンギア１２は、ハイポイドギアである。

ピニオン４１は、左右方向を軸方向とするシャフト部４１ａと、シャフト部４１ａの一端の外周側に設けられた複数の歯を有する歯部４１ｂと、シャフト部４１ａの他端側に設けられたプーリ４１ｃと、を備える。シャフト部４１ａは、モータ１１により動作したベルト３３を介して、プーリ４１ｃが回転することによって回転する。すなわち、ピニオン４１は、モータ１１と動的に接続されている。シャフト部４１ａには、下板１６ａと連結されたベアリング４１ｄと接続されており、シャフト部４１ａが安定して回転駆動する。これにより、シャフト部４１ａの先端に設けられた歯部４１ｂが、安定して回転駆動する。

ギア４２は、上下方向を中心としたリング状である。ギア４２の上側には、リングに沿って歯部が形成されている。ピニオン４１の歯部４１ｂは、ギア４２の歯部とかみ合っている。ギア４２は、ピニオン４１の回転駆動にあわせて回転駆動する。例えば、モータ１１が順方向に回転駆動し、シャフト部４１ａの歯部４１ｂが、歯部４１ｂ側から見て反時計周りの方向（順方向）に回転した場合に、ギア４２は、上方から見て反時計方向に回転駆動する。また逆に、シャフト部４１ａの歯部４１ｂが、歯部４１ｂ側から見て時計周りの方向（逆方向）に回転した場合に、ギア４２は、上方から見て時計方向に回転駆動する。なお、ピニオンギア１２に用いられるギア４２は、セルフロック性を有するギアであり、ピニオン４１によりギア４２の静止摩擦力を超える回転駆動の力が与えられたときに回転駆動する。

４つの平歯ギア１３は、中板１６ｂ上において、上下方向を軸方向とする状態で配置されている。４つの平歯ギアは略円柱状であり、外周側には歯部が形成されている。第１の平歯ギア１３ａは、ギア４２の中央部に挿入された連結軸２１により連結されており、ギア４２の回転と同期して回転駆動する。

第２の平歯ギア１３ｂは、左側の把持爪２ｂに連結されている。また、第４の平歯ギア１３ｄは、右側の把持爪２ａに連結されている。第１の平歯ギア１３ａの歯部は、第２の平歯ギア１３ｂ、及び第３の平歯ギア１３ｃの夫々の歯部とかみ合っている。また、第３の平歯ギア１３ｃは、第４の平歯ギア１３ｄの歯部とかみ合っている。したがって、第１の平歯ギア１３ａが回転駆動する際には、第２の平歯ギア１３ｂと第４の平歯ギア１３ｄは互いに逆回転を行う。したがって、ピニオン４１が順方向に回転駆動した場合には、第２の平歯ギア１３ｂと第４の平歯ギア１３ｄは逆方向に動作するため、把持爪２ａ，２ｂは互いに逆方向に動作して間隔を狭め、物体の把持を行うことができる。また同様に、ピニオン４１が逆方向に回転駆動した場合には、把持爪２ａ，２ｂの間隔を広げ、物体の開放を行うことができる。

ポテンショメータ１４は、上板１６ｃ上に配置されている。ポテンショメータ１４には、第２の平歯ギア１３ｂの回転軸２２が連結されており、第２の平歯ギア１３ｂの回転力を測定して電気信号に変換し、制御部１５に出力する。

制御部１５は、モータ１１の出力を制御する。例えば、制御部１５は、ポテンショメータ１４から入力された信号に基づいてフィードバック制御を行い、モータ１１のトルクの調整を実行する。制御部１５は、把持爪２ａ，２ｂが目標角度になった後に、モータ１１の出力を変更させる。すなわち制御部１５は、モータ１１に、把持爪２ａ，２ｂに把持対象物を強く把持させるために、瞬時に最大トルクを発生させるように制御するとともに、その後、モータ１１の出力を停止させる際に、把持爪２ａ，２ｂの把持力が低下しないように緩やかにモータ１１の出力を下げる制御を行う。

次に、図３を用いて、把持爪２ａ，２ｂにより把持対象物を把持する際に、把持力の低下を抑制する具体的な制御方法について説明する。

制御部１５は、モータ１１を順方向に定格トルクで動作させるように制御する（Ｓ１）。すなわち、図４に示すように、モータ１１をＯＦＦ状態から定格出力にした後に、定格出力である状態を維持する。これにより、ベルト３３を介してピニオンギア１２が順方向に回転して、平歯ギア１３が回転駆動することにより、把持爪２ａ，２ｂが閉じる方向に動作する。

制御部１５は、ポテンショメータ１４からの入力に基づいて、把持爪２ａ，２ｂが目標角度に到達したか否かを判定する（Ｓ２）。ここで目標角度とは、例えば、把持爪２ａ，２ｂが、それぞれ把持対象物を挟むように接触している角度である。なお目標角度は、把持爪２ａ，２ｂを目標位置まで動作させる場合の平歯ギア１３の動作角度であっても良い。現在の角度が目標角度に到達していなければ（Ｓ２でＮｏ）、Ｓ１に戻り、制御部１５によるモータ１１の動作制御を継続させる。目標角度に到達していれば（Ｓ２でＹｅｓ）、Ｓ３に進む。

制御部１５は、モータ１１の出力トルクを瞬間的に定格トルクより大きくする（Ｓ３）。例えば、図４に示すように、制御部１５は、モータ１１の出力トルクを定格の状態から、最大の状態に引き上げる。ここで最大トルクとは、把持対象物を把持させた後、モータの出力を停止させた際にベルトに残る慣性力が、ギアなどの摩擦力よりも大きくなるトルクであり、例えば定格トルクより大きいトルクである。これにより図５に示すように、把持爪２ａ，２ｂは、モータ１１を定格で動作させていたときに比べて、把持対象物に対して強い把持力を発揮した状態となる。

次に図４に示すように、制御部１５は、モータ１１の出力トルクを、最大出力の状態から徐々に低下させる（Ｓ４）。このとき、モータ１１の出力が低下することにより、ベルト３３では張力が開放されるため、逆回転方向の力が発生する。ここで、ベルト３３の張力の開放により、ピニオンギア１２は逆回転を行う力が発生する場合には、把持爪２ａ，２ｂが開く方向の力が発生する。

制御部１５は、モータ１１の出力を徐々に低下させることによって、ベルト３３の張力が一度に開放される力を小さくする。これにより制御部１５は、逆回転の力がピニオンギア１２及び平歯ギア１３の静止摩擦力を超えないように制御する。言い換えると、制御部１５は、図４に示したモータ１１の出力が最大の状態から停止させるまでの勾配部分について、ベルト３３の張力の開放による力がピニオンギア１２の静止摩擦力を超えないように、モータ１１の出力低下の度合いを決定して、モータ１１の出力を制御する。これにより、ピニオンギア１２及び平歯ギア１３より構成されたギアトレインにおいて、各ギアの逆回転の発生を抑え、把持爪２ａ，２ｂが開く方向に動作することを抑制する。

その後、図４に示すように、制御部１５はモータ１１の出力を完全に停止させる（Ｓ５）。

これにより、ベルト３３の張力の開放による逆回転の力によって、把持爪２ａ，２ｂが開くのを抑制できる。すなわち、把持爪２ａ，２ｂにより把持対象物を強く把持し、その後、モータ１１を停止させたときの把持力の低下を抑制することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、セルフロック性を有するギアとタイミングベルトを用いたものであれば、ロボットハンドに限られない。セルフロック性を有するギアは、ハイポイドギアではなく、ウォームギアやそれ以外のギアであってもよい。また、モータ１１を最初に定格トルクで動作させ、その後、定格トルクより大きい最大トルクで動作させる場合について説明したが、定格トルク以下の状態で実行しても良い。

１ロボットハンド
２ａ，２ｂ把持爪
３動作部
１１モータ
１２ピニオンギア
１３ａ〜１３ｄ平歯ギア
１４ポテンショメータ
１５制御部
１６ケース
１６ａ下板
１６ｂ中板
１６ｃ上板
２１連結軸
２２回転軸
３１本体部
３２プーリ
３３ベルト
４１ピニオン
４１ａシャフト部
４１ｂ歯部
４１ｃプーリ
４１ｄベアリング
４２ギア

Claims

モータと、
前記モータに対して、プーリ、ベルトを介して動的に接続されたセルフロック性ギアと、
前記セルフロック性ギアの動作により開閉可能な一対の把持爪と、
前記モータの出力を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記モータに最大トルクを出力させた後に停止させる際に、前記ベルトの張力が開放される力が、前記プーリから把持爪までの間に設けられた前記セルフロック性ギアを含むギアトレインの静止摩擦力以下となる状態を維持しながら、前記モータの出力を徐々に低下させる
ロボットハンド。